Les variateurs de vitesse sont essentiels aux roues thermiques de RainForest

Dans les coulisses, beaucoup de génie mécanique est consacré à la création et à l'entretien d'une forêt tropicale humide près du lac Érié, à seulement 40 milles de la frontière canadienne. C'est un exploit accompli par Cleveland (Ohio) Metroparks, une autorité récréative qui fournit un "collier d'émeraude" de forêts, de terrains de golf, de sentiers de randonnée et d'autres attractions entourant cette ville du Midwest - connue autant pour ses équipes sportives que pour ses orchestre et Rock 'n Roll Hall of Fame. Sans une technologie HVAC de pointe, il est peu probable que cet habitat tropical unique – situé dans le complexe du zoo de Cleveland Metroparks – puisse exister; et il continue de bénéficier d'améliorations de l'équipement, telles que la conception avancée du moteur et de l'entraînement.

Ouvert pour la première fois en 1992, la forêt tropicale du zoo de Cleveland Metroparks est une biosphère simulée en forme de dôme qui contient environ deux acres de plantes et d'animaux sauvages, comparable à celle que l'on trouve dans les forêts tropicales humides et les jungles. Son système de traitement de l'air, qui comprend des roues thermiques d'une demi-tonne et des moteurs et entraînements ABB, économise 18 000 livres d'eau par jour de l'installation en transférant l'humidité à l'air frais sec entrant toutes les 2,5 heures.

La forêt tropicale du zoo de Cleveland Metroparks contient deux acres de plantes et d'animaux sauvages similaires à ceux que l'on trouve dans les forêts tropicales du monde entier. Chaque année, plus d'un million de visiteurs viennent dans cette biosphère simulée en forme de dôme à deux étages pour découvrir ce que c'est que de marcher dans les régions tropicales d'Amérique centrale, d'Afrique ou d'Asie - et voir quelque 600 animaux dans un cadre naturel, y compris des oiseaux, des singes, des reptiles et des poissons colorés qui jouent dans les lagunes, les marécages et les rivières chaudes.

Un environnement fragile dans un climat rude
Malgré de grandes variations de température et d'humidité sur les Grands Lacs, où les tempêtes « Alberta Clipper » peuvent rapidement fournir des températures inférieures au point de congélation en hiver et des journées d'été ensoleillées atteignant 90 degrés Fahrenheit, les visiteurs et les habitants de la forêt tropicale bénéficient d'une température presque constante. degrés F et 76 pour cent d'humidité. Cela est dû à un système CVC robuste qui a évolué au fil des ans pour incorporer des composants qui ont amélioré la fiabilité du système de 100 %.

Non seulement The RainForest, un investissement de 30 millions de dollars, enveloppe les visiteurs dans un environnement exotique, mais il rappelle également ce qui est en train de se perdre, à moins que davantage de forêts tropicales et de jungle ne puissent être protégées du surdéveloppement.

Application de roue thermique critique pour le contrôle constant de la température et de l'humidité

Direct Air Systems Inc., avec des sites à Cleveland et Columbus, Ohio, en collaboration avec Zesco Inc., spécialistes du contrôle de mouvement électromécanique et basé à Cleveland, fournit des services CVC à The RainForest, ainsi qu'à d'autres sites locaux notables, y compris le Rock 'n Roll Hall of Fame.

Le RainForest a deux unités de traitement d'air qui sont 100 pour cent d'air extérieur. Pour fournir et maintenir des conditions environnementales optimales pour l'installation, Direct Air Systems a installé des systèmes de roues énergétiques SEMCO pour les unités, dont l'un a un débit de 60 000 pieds cubes par minute, utilisé principalement pour le refroidissement ; tandis que l'autre unité, évaluée à 40 000 cfm, est équipée d'un préchauffeur et d'un humidificateur. Les deux unités ont côte à côte des roues thermiques déshydratantes sèches de 10 pieds de diamètre et de 1 000 livres, qui sont nécessaires pour conserver 18 000 livres d'eau chaque jour, transférant l'humidité de l'air d'échappement vicié de la forêt tropicale et la transmettant à l'extérieur sec. courant d'air une fois toutes les 2,5 heures.

Montré sont deux roues thermiques, 10 pieds de diamètre, qui sont le moyen de déplacer l'humidité et la chaleur de l'installation de RainForest et de renvoyer l'air frais. Ils sont tournés à une vitesse de sept à 18 fois par minute, à l'aide du contrôle direct du couple moteur/entraînement ABB, qui ne nécessite pas de boîte de vitesses. L'élimination de la boîte de vitesses a considérablement amélioré la fiabilité du système de traitement d'air.

Le terme « déshydratant » fait référence à un matériau collé à la surface des roues thermiques qui recueille l'humidité, ainsi que les odeurs, qui sont ensuite évacuées du bâtiment par la partie supérieure des roues.

Les roues tournent de sept à 18 fois par minute, selon le niveau d'humidité. L'air frais, appelé « air de traitement », est aspiré par la partie inférieure des appareils de traitement de l'air et filtré à travers les roues.

La température et l'humidité de l'air frais sont modérées par la rotation lente des roues et par le fait que la masse et la surface dessicative des roues transfèrent une partie de la chaleur et de l'humidité recueillies à l'intérieur. Les appareils de chauffage, si nécessaire, réchauffent l'air avant qu'il ne passe dans l'intérieur spacieux de The RainForest, qui compte plus de 60 zones de température, y compris celles des bureaux, de la cafétéria et des boutiques de cadeaux.

Unités de traitement d'air intégrées à l'installation
Plutôt que d'être montées sur le toit et exposées aux éléments, comme c'est généralement le cas avec les unités de traitement d'air, celles qui desservent The RainForest sont intégrées dans l'installation pour maintenir l'efficacité de l'unité qui serait autrement perdue pendant les étés chauds et les hivers froids de Cleveland.

Efficacité et simplicité distinguent le système
Le procédé de dessiccation a été choisi pour son efficacité et sa simplicité. Il a été conclu que les chaudières, les conduits en Z, les caloducs ou d'autres méthodes n'étaient pas comparables à l'efficacité de 85 % fournie par les roues thermiques. De plus, les roues chauffantes sont extrêmement simples à utiliser. L'idée était que plus l'équipement mécanique de base était simple, plus la fiabilité et la facilité d'entretien étaient grandes. Cela s'est avéré être le cas – jusqu'à un certain point. Alors que la technologie aurait dû fonctionner parfaitement, un problème persistant s'est développé.

Chaque roue tourne avec une courroie fabriquée sur mesure de 31 pieds de long et, lors de sa première installation, était équipée d'un moteur électrique à courant alternatif de 1 chevaux évalué à 1 750 tr/min et d'une boîte de vitesses mécanique pour fournir une réduction de vitesse de 5:1.

Au moment de l'installation, il s'agissait d'une configuration d'équipement assez courante. Cependant, il a été découvert que les boîtes de vitesses mécaniques utilisées pour The RainForest tombaient en panne à un rythme alarmant. Une fois par an, une des boîtes de vitesses devait être remplacée. Il n'y avait aucun motif discernable indiquant une disposition particulière de la roue et de la boîte de vitesses. C'était aléatoire. Le seul élément constant du problème était la défaillance de routine d'une boîte de vitesses.

La difficulté a finalement été identifiée. Il traitait des tours par minute. Le rythme était trop lent pour que les systèmes de lubrification par barbotage des boîtes de vitesses s'enclenchent correctement. En conséquence, les pièces n'étaient pas correctement huilées et s'usaient prématurément.

Chemin vers une solution
Étant donné que l'utilisation d'une boîte de vitesses était l'approche courante lors de l'installation des roues thermiques, le problème n'était pas initialement considéré comme un problème de sélection d'équipement, mais plutôt comme un problème d'application. Chaque installation de roue thermique est faite sur mesure et a son propre ensemble de dynamiques à affronter.

Les solutions au problème comprenaient la poursuite de la pratique consistant à simplement remplacer les boîtes de vitesses lorsqu'elles tombaient en panne ; Cependant, il est vite devenu évident que cela était coûteux et quelque peu imprévisible.

Il a également été envisagé d'utiliser des boîtes de vitesses qui lubrifient différemment, ainsi que de fabriquer des boîtes de vitesses personnalisées spécifiques à l'application The RainForest. Au fur et à mesure que l'on réfléchissait à la conception de moyens de gérer le problème de lubrification, il a été conclu que ces possibilités étaient à la limite de l'expérimentation. La forêt tropicale, avec ses 600 habitants animaux, n'était pas un bon candidat pour prendre de tels risques, surtout lorsqu'une solution plus moderne était disponible.

Avec les entraînements, aucune boîte de vitesses requise
Direct Air Systems a réfléchi à ses expériences avec d'autres applications HVAC et a mentionné à l'équipe de maintenance du zoo de Cleveland Metroparks une solution d'entraînement à courant alternatif/moteur à courant alternatif qui ne nécessitait pas de boîtes de vitesses. Cela devenait un arrangement de plus en plus courant et avait un bon bilan. C'était aussi une technologie de pointe, s'éloignant des problèmes et des complexités que présentaient les mécanismes de pièces mobiles.

"Quand nous avons vu que nous n'allions pas trop loin avec le problème de lubrification de la boîte de vitesses, nous nous sommes tournés vers l'équipement qui était à notre disposition - maintenant", a expliqué Steve Snyder, président de Direct Air Systems. « L'approche à couple direct que nous avons recommandée était quelque chose qui serait rentable, facile à entretenir et simple à utiliser. La lubrification des engrenages ne serait pas un problème. De plus, le couple direct est une ingénierie éprouvée. Les Cleveland Metroparks ont sollicité des offres pour le projet, car il s'agit d'un organisme public, et notre offre a été sélectionnée. »

La modernisation impliquait la solution de contrôle direct du couple d'ABB, qui utilise le couple du moteur à courant alternatif comme élément de contrôle principal.

Les variateurs compacts ABB ACS 800, qui font partie de la solution ABB Direct Torque Control, nécessitent un encombrement beaucoup plus réduit que les modèles de variateurs antérieurs. Ceci est particulièrement utile dans les zones où l'espace est limité.

Le moteur à courant alternatif d'origine de 1 cheval et l'équipement de boîte de vitesses de chacun des systèmes de roues énergétiques ont été retirés et remplacés par une combinaison de moteur à induction ABB de 5 chevaux et d'entraînement à basse tension CA. Cette disposition permet au moteur d'être connecté directement au moteur/à la charge sans avoir besoin d'un réducteur ou d'un encodeur d'impulsions. La solution ABB permet un couple moteur complet jusqu'à une vitesse nulle.

Grâce à l'utilisation d'un algorithme, les variateurs ABB, dans ce cas les modèles ACS à vitesse variable, peuvent fonctionner sans encodeur pour fournir un retour de vitesse. L'algorithme permet au variateur de calculer l'état du couple et du flux du moteur 40 000 fois par seconde. L'élimination de l'encodeur réduit encore la maintenance et diminue les temps d'arrêt.

Bien que chaque système de roue énergétique soit contrôlé par des systèmes individuels de Johnson Controls, l'état des moteurs et des entraînements est surveillé par le système complet de gestion de bâtiment Johnson Controls de RainForest.

En cas de défaillance du contrôle, les variateurs ABB ACS sont conçus pour passer automatiquement à une vitesse de rotation prédéfinie, afin de garantir le maintien du transfert de chaleur. Les moteurs de rechange sont inventoriés à The RainForest et les entraînements sont conservés dans les bureaux de Direct Air Systems, à quelques minutes de l'installation.

Depuis l'installation de la combinaison moteur/variateurs ABB il y a plus de quatre ans, il n'y a eu aucune interruption de service. Direct Air Systems constate une utilisation croissante du contrôle direct du couple.

"C'est certainement l'une des approches que nous recommandons", explique Snyder. « Il y a souvent plusieurs façons de résoudre un problème. Sur la base des circonstances de l'espèce, la méthode de contrôle direct du couple s'est avérée être une bonne solution. Nous l'avons également appliqué à d'autres projets. Il a trois caractéristiques que nous aimons. C’est rentable, simple et fiable.

Un modèle pour sauver les forêts tropicales du monde
Grâce aux contributions des visiteurs de The RainForest et aux efforts d'autres organisations et gouvernements, des quantités limitées de rares superficies de forêts tropicales humides et de jungles sont désormais protégées du surdéveloppement. Un soutien continu mettra de côté encore plus de cette terre précieuse qui sert non seulement de refuge faunique pour les plantes et les animaux indigènes, mais améliore également l'environnement de la Terre en éliminant le dioxyde de carbone de l'atmosphère. De plus, ces aires protégées se révèlent être des sources importantes pour les médicaments miracles de demain.

Plus d'un million de personnes par an visitent la forêt tropicale, profitant d'un environnement d'humidité presque constant de 76 degrés F/76% maintenu par le système de traitement de l'air. En plus de fournir des divertissements et une éducation sur la biologie, l'autre mission de l'installation est de rappeler aux visiteurs la nécessité de protéger les forêts tropicales indigènes, qui sont estimées être perdues à raison de 1,5 hectare par seconde à cause de la déforestation.

Présenté sur Animal Planet, The RainForest est l'une des nombreuses attractions du zoo de Cleveland Metroparks qui couvre 168 acres et présente la plus grande collection d'espèces de primates en Amérique du Nord parmi ses 3 000 animaux.

À propos de l'auteur :

ABB, Automation Products, Low-Voltage Drives, est le plus grand fabricant mondial de moteurs électriques et d'entraînements. Aux États-Unis, un canal intégré de représentants commerciaux, de distributeurs et d'intégrateurs de systèmes permet à ABB, New Berlin, Wisconsin, de fournir une gamme complète d'entraînements électriques, de moteurs et de systèmes d'entraînement conçus à un large éventail de secteurs industriels et commerciaux. clients. Les produits fabriqués comprennent des variateurs de vitesse CA et CC pour moteurs électriques de 1/8e à 135 000 chevaux, et des solutions de système d'entraînement spécifiques à l'application pour répondre aux divers besoins des clients. Pour plus d'informations, visitez www.abb.us/drives.com.